生物選礦的基本理論及研究進(jìn)展

1、生物選礦的基本理論及研究進(jìn)展1生物礦物加工技術(shù)礦產(chǎn)資源為人類社會(huì)的物質(zhì)文明提供了大址的 能源和原材料.是社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。為了 適應(yīng)新lit紀(jì)礦業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要.世界孑國(guó)都在 嘗試采用新的礦物加匚技術(shù)來(lái)改造傳統(tǒng)礦物加工技 術(shù)特別是對(duì)于一些過(guò)去被忽視的低品位、細(xì)分散、 難處理的礦石人們開始重視并設(shè)法經(jīng)濟(jì)而乂環(huán)保 的對(duì)其進(jìn)行利用。隨著生物技術(shù)的發(fā)展人們已逐漸考慮將其應(yīng) 用于礦物加工行業(yè)。從上世紀(jì)80年代末到現(xiàn)在，已 逐漸發(fā)展起了生物礦物加工技術(shù)，并在許多領(lǐng)域開 始了工業(yè)應(yīng)用（圖l）o但目前在利用微生物進(jìn)行絮 凝、浮選等方而的研究還較少，許蘇領(lǐng)域仍處空白, 包括相關(guān)現(xiàn)彖的理論和工藝研究都尚未

2、成熟.2生物選礦中的微生物微生物在門然界中無(wú)處不在、無(wú)處不有，這也就 方便了人類選収利用微生物在多個(gè)行業(yè)發(fā)揮作用。 當(dāng)微生物吸附于固體表面并達(dá)到一定的數(shù)址后，就 能不同程度地調(diào)整和改變固體的表而性質(zhì).在生物 選礦中，正是這種微生物的吸附行為調(diào)整和改變礦 物的表血性質(zhì)，使其具有絮凝和浮選等能力。1生物昭»«生豹ff途說(shuō)水中冋枚貴金m圖1生物礦物加工技術(shù)的應(yīng)用方向2 1微生物的表面結(jié)構(gòu)與表面性能微生物與礦物z間的相互作用請(qǐng)況極其復(fù)雜, 但其核心與關(guān)鍵都是微生物附著于礦物表而：ifu這 種吸附行為是由微生物本身的結(jié)構(gòu)所決定的o細(xì)菌 表面主要是由細(xì)胞外殼.細(xì)胞質(zhì)膜及菌毛、鞭毛等表

3、面附著物所構(gòu)成。一般來(lái)說(shuō).厚且均質(zhì)的革蘭氏陽(yáng) 性細(xì)菌的細(xì)胞壁主要由肽聚糖組成.通常也包含大 呈的磷壁酸。磷壁酸帶有的負(fù)電荷有助于賦予革蘭氏陽(yáng)性菌呈負(fù)電性。從圖2可看岀,革蘭氏陰性細(xì) 菌的細(xì)胞吐比革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的細(xì)胞壁復(fù)雜得多. 其緊鄰細(xì)胞質(zhì)膜的肽聚糖層很薄ni.外膜中的脂 多糖(1“)打眾不同.k內(nèi)的核心多糖通常包括帶 電荷的糖類和磷脂,所以脂多糖可使細(xì)菌表面呈負(fù) 電性，這有助于細(xì)菌吸附到帶正電荷的礦物顆粒表 lill o另一方i紅疏水相互作用是微生物吸附到生物 和非生物表面的重要理化作用z-0這種疏水性1： 耍由微生物衣血的蛋白質(zhì)、橢類化介物或脂等物質(zhì) 成分決定,ii通常多為幾種物質(zhì)成分共同

4、作用決定 微生物的表而疏水性。由此可知,當(dāng)微生物與固體表面z間發(fā)生電荷 和疏水的相互作用時(shí)，微生物將粘附到固體表而0 另外,如果在微生物和固體之何還存在著某些特殊 的鍵合作用，微生物也有可能鍵合到固體表面上。樓助 jm (峨弋氏陽(yáng)性罩亡氏陰性圖2細(xì)葡的表面結(jié)構(gòu)小22生物選礦的可能性吸附于礦物表而的微生物iflihri身性質(zhì)調(diào)整和 改變礦物的表面性質(zhì)，這類似f傳統(tǒng)的選0藥劑。 在礦物浮選過(guò)程中礦物表面的是直接依據(jù)。 微生物獨(dú)特的電性及疏水性不僅幫助其吸附于礦物 表而,同時(shí)還能改變礦物表面的性質(zhì).尤其是!口可況 性，從而引發(fā)生物選礦的可能性。肖疏水的微生物通過(guò)排斥極性水分f而打其他 微牛物發(fā)生界i

5、fil反應(yīng)時(shí).會(huì)導(dǎo)致微細(xì)粒礦物形成疏 水聚團(tuán)這時(shí)微生物相當(dāng)于選礦絮凝劑;而若吸礪 礦物衣而的做生物以其門身統(tǒng)水性改變0物衣而的 疏水性幫助其浮選分離時(shí).這種微生物就相當(dāng)于浮 選捕收劑;當(dāng)微生物在礦物表面吸附.不但可減少礦 物表ifii的凈電荷,還可通過(guò)礦物表面凈電荷的減少 調(diào)節(jié)礦物的抑制、活化、分散和絮凝等狀態(tài)時(shí).微1-: 物就成為選礦調(diào)整劑。23應(yīng)用于選礦的微生物生物選礦可以利用的微生物種類很多，但目前 僅開發(fā)出少數(shù)兒類.并大多尚停留在實(shí)驗(yàn)空研究階 段(表i)-用f生物選礦的微生物何的是從礦床和 礦山水中分離出來(lái),反過(guò)來(lái)乂被應(yīng)用f選礦研究中; 倚的則是研究者們通過(guò)測(cè)定菌種獨(dú)特的表面化學(xué)性 能

6、來(lái)決定是否用其開展試驗(yàn)。選用的微生物形式 多種多樣.包括微生物及其代謝產(chǎn)物的溶解菌體和 凍干菌體等。衷i冃前已妍究的生物選礦用微生物微生物! 名稱:普特征主鑒功陡nifct狀大小(0 3 0 5) x( l 0- l 7)頊:呱典型革蘭氏陰性跟橫毛可e動(dòng).嚴(yán)格好禮嚴(yán)格無(wú)機(jī)化財(cái)1養(yǎng)鐵r札化雀” r 桿狀.0 5 x ( l 0- 2 0) pm.典熨審脫瓠抑制m二、蘭氏陰性閔小棧毛可勸.嚴(yán)恪m 二"札嚴(yán)格無(wú)機(jī)化ten?"分支700如桿狀或加掙機(jī)他he l0- 2 0抑制門/u±5 0呱疏蘭氏陽(yáng)性繭亦鐵礦捕收制桿狀(0 6- q «) x(2 0- 5 ()

7、| mm42 0革蘭氏m性菌，異養(yǎng)型矗生颯略中m mat飾爐他h闔±2 0 ft <j4力不它、)覆件厭仇丫w iav jrte長(zhǎng)32 0押1、1|訕1猶單個(gè)m胞(0 7-0 8 x抑制磅灰石和±#0(2 0-3 0| mru革弋氏陽(yáng)性啊白云石渾濁70()桿狀.10x2 0pm饑細(xì)胞革蘭氏陽(yáng)n解石和菱鐵紅穌±5 0性苗.化陡仃機(jī)忡胸曠的捕枚劑3生物選礦研究現(xiàn)狀31微生物及其代謝物作為絮凝劑常規(guī)浮選燉于粒度為0 1()3 nun的顆粒具 有較好的適應(yīng)性，對(duì)于粒度較小尤其是小于10山】 的顆粒，浮選效果很差。而用絮凝劑使微細(xì)粒礦物 絮凝成較大顆粒脫除脈石細(xì)泥厲再

8、浮去粗粒脈石， 這就是絮凝一浮選。早在1963年.(；aiy等人就利 用細(xì)菌和葡綱絮凝佛羅里達(dá)的磷灰石粘土礦 隨后，1972年報(bào)道了利用賴范酸細(xì)胞絮 凝仃機(jī)和無(wú)機(jī)廢料的研究匸作i 在2()世紀(jì)()年 代中后期.又令許多研究者嘗試用其他的細(xì)菌、菌 綱、藍(lán)藻等微生物作為各種礦物懸浮液的絮凝劑。 部分研究還曾發(fā)現(xiàn) m ycobaclerium ph lei (m. ph lei) 菌的胞外聚合物和處f特定條件卜的表面活性物可 使微生物本身及礦物細(xì)粒絮凝。1另1年，m. vi 4等學(xué)擰赧先報(bào)道了用4/. ph lei 蘭絮凝赤鐵礦、煤及磷灰1細(xì)泥的情況t。研究表 明:磷灰石懸浮液在10 2 mg/kg

9、il/. ph lei |«|作用卜. 赤鐵礦懇浮液在5 x5作用卜，4m h后可得到大量沉淀：4/. phlei2存在與否.煤的 累凝惜況仃很大差異(圖3)d隨后的研究也證實(shí). 表而具仃校島負(fù)電性及筑水性的v/. phleifi對(duì)赤 鐵礦、煤及磷灰石而盲,是良好的生物絮凝劑，且在 特定情況卜；還可能仃選擇性地絮凝礦物(a)與mmx簫作用前(b)與m.油知幅作用右圖3煤與m. phlei作用前后的絮図情況mschneirier等人在994年報(bào)道酵母念珠菌 (carui uia pa raps iloais )及応代謝物對(duì)細(xì)粒赤鐵礦、 方解石和高嶺土的絮凝效果：在田=3 11范圍 內(nèi)，

10、赤鐵礦的絮凝效率均在90%以i .;在 山= 6-8 范闈內(nèi).烏嶺土的絮凝效率也能達(dá)到8( 90% 化 值得注意的是,使用整個(gè)細(xì)菌與僅提取出 菌體碎片和可溶性部分相比，要獲得相同的幕凝效 果.前者所需的劑雖:要明顯大于后者。到了 1996年，rawwr等人開始對(duì)礦物與m.m航菌相互作用的機(jī)制進(jìn)行初步探討并嘗試用擴(kuò) 展的dlvo理論解杯它們之問(wèn)的相互作用能'引。haas等人發(fā)現(xiàn),corynebacteriim xerosis|«| nj 仃 效絮凝方解石和螢石，十|4!= 7時(shí).任懸浮液屮加 入濃度為40 mg兒的c. xemsis |2|；絮凝效果m好 (圖4)宀叭并且該研究

11、屮使用c. xerosis的劑雖: 明顯少于以往研究中使用其他微工物的劑&o(a)作用|w(b )與cxrmmm作用苗圖4荼石與cxero.1作用前后的絮直情況suborn union 等 人 在 2(x)3 年 報(bào)道° bacilkts po an? yx “菌及其代謝物在ph = 9 9 5范i科內(nèi),可 以選擇性絮凝方鉛礦門v ijjyahk>lm ifil karlnir發(fā)現(xiàn)山.在煤懸浮液 中同時(shí)添加bacillus subtilis菌和電解液,2 m h內(nèi) 9偸 9滋的煤都可沉降f來(lái)，且能保證上清液中 無(wú)細(xì)小顆粒.patra等 人嘗 試用bacillus sub

12、tdis菌 和 pa cn iba cilhi s po hrri).v " i肖及真代謝物f1 為礦物的絮 凝劑并試圖解釋其相關(guān)機(jī)理1，m51 試驗(yàn)表明：礦 物1 j haciilus sub til is菌作用jii,黃銅礦、黃鐵礦在中 |il卜的沉降速度比方綁石快.向石英的沉降速 度則比無(wú)細(xì)菌作用時(shí)慢；paenibacilluspolym yxa菌 或其代謝物在 出=8 9條件卜與黃鐵礦和閃鋅礦 作用后，黃鐵礦絮凝效果待到堆強(qiáng)閃鋅礦則更趨于 分散。由以上試驗(yàn)結(jié)果,完全有理由相估微生物可作 為良好的聖凝劑,并可能具右良好的選擇性。近期 的研究則更多地致力于d找成木更為低加的微牛物

13、 菌種.并研究其與礦物作用時(shí)的表面特征變化和機(jī) 理，從而更好地控制絮凝效果。3 2微生物及英代謝物作為捕收劑凡能選擇性地作用于礦物表面,使礦物表面疏 水的物質(zhì)，稱z為捕收劑。由此可知,選用微生物作 為捕收劑主要是希望它能改變礦物表而的電荷，便 其具有疏水性。這些微生物表面上有聚合物或是縮輒酸、類脂、氮基酸、蛋白質(zhì)等疏水性官能【羽,它們可 匕打討繃hi佛砌農(nóng)山i.從帖帖物左山加水符以 淳選分離.赤鐵礦我面的負(fù)電荷耍遠(yuǎn)少于ji有疏水農(nóng)面的 w.兇沁南ouim-r?人址早占慮將.”.m血繭作為 驅(qū)礦的捕收劑m.他們分別對(duì)-53+ 2() mm和 -20山山哉礦進(jìn)行吸陽(yáng)浮選.結(jié)果表明：-53 + 2(

14、) pm粒級(jí)赤快礦在0 = 7 ±q 5時(shí)，其浮選回收 半隨若”.m lei請(qǐng)濃度的增人ifll捉烏.-20 um粒 級(jí)赤鐵*的淳選回收奉則略有不同在一定范im 內(nèi)隨若v. ph bi繭濃度捉高.吸訊ht増人.浮選h 收半顯弁i：升；v. ph皿濃度達(dá)創(chuàng)相當(dāng)侑辰卜i收 半隨w. ph皿濃度處吸附球捉簡(jiǎn)的帕度變小：v. ph皿濃度人于2 ox 10八則會(huì)導(dǎo)或形成過(guò)人亦鐵 礦疏水聚團(tuán)而降低淫選回i收率.在苴他研究中，m. ph皿及艮代謝物還用作煤礦、門云仃及礙灰仃的 捕收劑"叫 無(wú)論何種怙況,m.pheitt的濃度都 極梵甫要.bok* io 人利用海濁紂球請(qǐng)irhod*wri

15、t« opaat r. opaat»)作為方解石、菱鏤0'的捕收 劑"ir甲“一繭的細(xì)胞壁上有多糖、竣戰(zhàn)和類脂 基團(tuán)，它們可通過(guò)聚合物鍵合附著在礦物表面i：,改 變礦物質(zhì).will電慷恵片叭燈劉.吸 附在菱鎂礦表面上的r. w皿比吸附在方解石 上的多期多(h 5).而細(xì)繭的作用可把 更鎂礦的 可浮性在|w=s 0和bi濃度為10,時(shí)芟鎂b的 浮選冋收率為9就，而在|h= 7 0和肅濃度為2 2() x mt '時(shí)方解石的淳選回收率僅為5班.s3微生物及其代謝物作為調(diào)整劑solojeiiken寫人向址早發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還凍繭 (srb成艮代謝物nj以妙響硫

16、化礦及上硫化礦的浮 選.在混合礦中,srb可以抑制黃銅v和閃鋅礦，而 ffittir及方t«r則不受形響.“然界中方恪礦常與 w停礦共空在-起，利用skbpj很好抱將這兩種0 t'j-'-試驗(yàn)衣購(gòu).混介h 6- 'j sub ft 1|： ltl. 礦的回收率高達(dá)95孔而閃粹礦的回收半僅為 4.疑.20世紀(jì)80年代末的研究發(fā)現(xiàn)氧化亞ttftff 可以在煤淳選中作為黃帙礦的抑制劑|呦氧 化亞帙硫桿可以在短時(shí)間內(nèi)吸附到員帙礦衣面. 便m表|附山疏水性h化為親水性,從而便黃鐵礦央 去可浮性隨庇許多學(xué)者進(jìn)行f廣泛而探入的研 究探討.發(fā)現(xiàn)黃抉礦在與堀bi作用后，可以在更

17、多復(fù)(> «r(h)方嶄石5 ph=7phrhjfi r.叩 w 兩的蔓鎖st和方石'腐 上就化0體系中受到抑制而其余礦物不受形響 菌代謝物也町發(fā)揮相同作用.有研究表明，氧化亞 鐵硫桿朗的胞外聚合物可以在黃鐵v-黃銅礦體系 中選擇性抑制黃帙礦,在閃w-方18礦體系中選 擇性抑制閃鋅礦厲11997年，gavel零人円利用一種異養(yǎng)請(qǐng) (a護(hù)呷叫n *丿及其代謝物對(duì)菱鎂礦圧礦進(jìn)行 i切預(yù)處理.研究發(fā)現(xiàn):菱検礦尾礦在浮選前與 a半料首iikuniger菌相互作用i周后,浮選時(shí)受到明 顯抑制.浮選lomh的回收率僅為 綁左右；而未 與，巾噸伽.譏皿作用的芟«礦虧0在捕收

18、劑 濃度為5x 10 4 kinol/nf條件下.浮選10min的冋 收串可達(dá)到10(廉"zh哪等人my研究門卩陰離捕收劑淫選 白云石與礪灰石的混介礦時(shí)細(xì)»的形響，發(fā)a w. ph lei 和 raciihti iulten i/onn m jf - 2 都可作為這兩種 礦物的抑冊(cè)劑，且對(duì)白云石的抑制作用史強(qiáng) 4生物選礦的研究手段及方法山于吸附于礦物表面的微生物改變tr物的農(nóng) 面化學(xué)待征.進(jìn)而改變r(jià) r物的浮選行為.幫助我們 有選擇性地去除不需耍的礦物成分，因而研究其附 若行為十分幀蚊 目前律生物吸附的機(jī)理尚未明 確,但可以肯定的足弊電力、范糖華力、親水斥力及 藐水引力雪多

19、種力共同總響控制著微工物的附著抒為.這些力可通過(guò)觀測(cè)微生物農(nóng)面特征®數(shù)進(jìn)行測(cè) 弘如通過(guò)測(cè)匸泌角、疏水相互作用等來(lái)具體計(jì)« 疏水性的強(qiáng)弱;還可通過(guò)測(cè)定微1%表面的電荷來(lái) 解釋其與0'物的相互吸引或1斥等行為另外,« 生物農(nóng)面化學(xué)俎成的測(cè)定也至關(guān)恥要,因?yàn)橥ㄟ^(guò)» 生物表面的基團(tuán)成分.對(duì)以碩測(cè)解釋微生物的附著 行為.微生物細(xì)胞農(nóng)面在化學(xué)結(jié)構(gòu)i:比m性的基 質(zhì)衣面更為交雜和不均勻.這就決定微生物吸附作用研究方法的復(fù)雜性目前生物選礦的研究者(fl主要使用擴(kuò)展的 dlv(w論預(yù)測(cè)徴生物-r物的相互作用機(jī)林借助 表而熱力學(xué)方法計(jì)口吸附自山能的變化信況以碩測(cè) 微

20、生物在礦物表面的吸附s這兩種方法思考的角度 并不相同,但都綜合考處范«s華作用力、靜電作用 及疏水凍水力的越響，并可通過(guò)數(shù)理方程計(jì)算和表 述這些影響的大小(圖6)f0 6生務(wù)選礦的彭尺因來(lái)及話究方沫5結(jié)語(yǔ)生物技術(shù)在礦物加工中的發(fā)展?jié)摿O大,已經(jīng) 滓透到啊 匸程的各個(gè)方而l有取代某些傳藐技 術(shù)的趙勢(shì).但與生物技術(shù)在其他領(lǐng)域應(yīng)用的深度和 廣度相比,還存在很大的差距.這主要是ill f目前 開發(fā)研究的微生物菌種過(guò)少徽生物與礦物之間作 用機(jī)理的研究還不成熟.%i物培養(yǎng)成本過(guò)高及q 長(zhǎng)條件的控制較難所sl因比 需要有更多具備礦 物加匸知識(shí)和微生物知識(shí)的學(xué)者投入到生物選礦的 研究中去.備考文敝i

21、i.iu4nk. nu£>c«nu un x bkji li»£mxaaiit*ki ofa*k*i.ika'r b>m «*rul b.ixr>x“| m | h'1( i)«ki4lj m frniiul! m rt.1 j sumis'm沖2lvx267-2s6| 2|<«.an jll. f lii 11. |j.亠心山)»o l»ral4>lhi *>| it |. | j |; i n««aal stub> bu4 ofm 口“ 196a| 1|血>all lu .imk* laufti tvkvb kk m &*aii u j ttr barfix*皿山屮 邙ge i x j6s470b|p|. 1972-us-is| 4| 、l xu、l